Větrné elektrárny IX. – netradiční i staronová řešení a slepé uličky
Snahy o využití energie větru vedly v minulosti k řadě technických objevů a řešení. Tentokrát se podíváme na ta méně obvyklá, funkční i nefunkční a někdy i úsměvná.
Větrné elektrárny – tak jako každý technický produkt – procházejí vývojem, směřujícím k optimálnímu (a tím i obecně nejrozšířenějšímu a uniformnějšímu) řešení. To v současnosti představuje technicky opodstatněný design větrných elektráren s ocelovým válcovým nebo mírně kónickým tubusem (věží), otočnou gondolou s generátorem, příp. s převodovkou a třílistý rotor. Mírně z tohoto schématu vystupuje použití železobetonových segmentů na spodní část věže (výjimečně na celý stožár), nebo ocelová příhradová konstrukce celého stožáru.
Multirotorové elektrárny
Hermann Honnef, autor megalomanských konstrukcí multirotorových větrných elektráren u modelu zařízení s pěti rotory a vizualizace třímotorové verze pro centrum Berlína. Příhradová konstrukce přes 500 m vysoké věže měla být vztyčena nad polygonem osmipatrové budovy říšského ministerstva energetiky.
Konstruktéři však nespí a tu a tam přicházejí s netradičními (nebo dříve nerealizovatelnými, zdánlivě překonanými či zapomenutými) schématy. S megalomanským projektem větrné elektrárny s větším počtem rotorů na jednom stožáru přišel v Německu Hermann Honnef (1878–1961). Vycházel ze svého již dříve patentovaného systému dvou a více rotorů na jednom příhradovém věžovém stožáru (patent US1963912 A, podán 15. 4. 1931, schválen 19. 6. 1934). Ve své vizi to však „poněkud“ přehnal. Podrobnosti o tomto projektu jsou uvedeny na stránkách TZB-info ve II. dílu seriálu o větrných elektrárnách, proto jen stručně: místu a předválečné době odpovídající megalomanská větrná elektrárna měla být instalována v centru Berlína na příhradové ocelové konstrukci vysoké asi 550 m, což je skoro dvojnásobek výšky Eiffelovy věže, s průměrem základny asi 160 m. Na 150 m vysokém horním sklopném dílu konstrukce měly být namontovány tři (nebo dokonce pět) rotorů větrných elektráren, každý s průměrem 160 metrů. Předpokládaný výkon celého zařízení měl být 75 MW. Současné největší větrné elektrárny dosahují s jedním rotorem o průměru až 180 m výkonu přes 9 MW při rychlosti větru nad 12 m/s. I jen nepříliš zasvěcenému laikovi je zřejmá nerealizovatelnost Honnefova monstra i s využitím současných technických možností.
Na první pohled použitelný prototyp vícerotorové větrné elektrárny v mnohanásobně menším a pojízdném provedení představil poprvé její konstruktér roku 2001 na veletrhu zemědělské techniky Agritechnica v Hannoveru. Dvourotorovou elektrárnu MoWec (Mobile Wind Energy Converter) na jednonápravovém přívěsu bylo možné ve složeném stavu na její místo v terénu převézt za traktorem. Z rámu přívěsu se stal základ pro elektrárnu. Po vztyčení dvou konzol a jejich zajištění v poloze „V“ a následující montáží listů obou rotorů s průměrem 7,1 m na osy převodů by elektrárna připravena k provozu. Uváděný výkon elektrárny byl mezi 10 až 20 kW.
Dvourotorový prototyp malé větrné elektrárny MoWec: celkový pohled na elektrárnu v pracovní poloze, autor vynálezu s modelem svého zařízení a detail přenosu otáček obou rotorů k jednomu generátoru pomocí článkových řetězů.
Jenže: otáčky obou rotorů byly samostatně přenášeny k ose jediného generátoru pomocí asi 12 m dlouhých řetězů přes dvojice „napínáků“, což by při reálném provozu a i při mírně odlišných otáčkách obou rotorů při neexistenci jakéhokoliv diferenciálu zákonitě vedlo k jejich vzájemnému brzdění a snížení výkonu. Poněkud obšírnější popis ukazuje na trnité cesty, které volí někteří vynálezci (a netýká se to pochopitelně jen oboru větrné energetiky).
Více rotorů na jednom stožáru však není až tak nereálná idea. Mnohem profesionálnější řešení testuje nyní v areálu Dánské technické univerzity v Risø nedaleko Kodaně firma Vestas, jeden ze světových lídrů větrné energetiky. Na jednom stožáru jsou instalovány hned čtyři rotory. (foto 6,7) Stožár této čtyřrotorové větrné elektrárny je 60 m vysoký. Ve dvou úrovních jeho výšky, v polovině a pod jeho vrcholem, jsou otočně uloženy masivní „objímky“ s ložiskem a rameny, nesoucími 2 a 2 gondoly samostatných větrných elektráren V29-225, vyráběných firmou Vestas na přelomu 80.–90. let minulého století. Každá má výkon 225 kW a průměr rotoru 29 metrů. Celkový instalovaný výkon tohoto soustrojí je 900 kW.
Větrná elektrárna Vestas 4×225 kW na zkušebním poli DTU u městečka Riso a detail uchycení ramen a uložení gondol na jejich koncích.
(Foto B. Koč)
A proč právě toto řešení? Proč nepostavit jednu běžnou větrnou elektrárnu s výkonem 1 MW? Čtyřrotorová koncepce je odpovědí na některé problémy, související se stavbou výkonnějších, ale rozměrnějších a násobně těžších dílů, které by nebylo možné v některých místech transportovat a postavit, když například na lokalitu nevedou použitelné komunikace a nedostala by se tam ani jeřábová technika, která by montáž umožnila. Nemusí to být jen komunikačně odlehlé oblasti, ale také například hůře dostupné terénní hřbety s excelentními větrnými poměry.
Jak na problémy s transportem?
Stavbu elektráren v náročnějších terénních a komunikačních podmínkách doprovází řešení komplikací. Fotografie je z transportu listů pro větrné elektrárny u Protivanova (okres Prostějov) v zatáčce typu „vracečka“ pod obcí Malé Hradisko. Dva stromy na vnitřní straně zatáčky musely ustoupit…
(Foto B. Koč)
Tubusy větrných elektráren musí odolat nejen statickému zatížení gondolou a rotorem a dynamickému zatížení přímým působením větru na samotný stožár, ale i variabilním zatížením přenášeným od rotoru elektrárny. Řešením je hmota a tuhost konstrukce stožáru. Ocelový tubus má u větších elektráren sílu stěn u paty i více než 100 mm. To s sebou nese nejen vyšší náklady na „mrtvou hmotu“ elektrárny, ale i transportní potíže na lokality na koncích běžné silniční sítě nebo v exponovaných podhorských nebo horských terénních podmínkách (poloměry zatáček, porost nebo terén vedle silnice, překonávání horizontů na trase komunikací, nosnost mostů, výška podjezdů, přístupnost pro těžkou jeřábovou techniku. Pro transport několik desítek metrů dlouhých a desítky tun těžkých dílů jsou hledána konkrétní řešení. Vedle tradičních mnohanápravových podvozků s všesměrově a nezávisle řiditelnými nápravami existuje řešení, kdy je list rotoru na korbě tahače uchycen přírubou na hydraulickém zařízení, které ho před průjezdem ostrou zatáčkou může vztyčit do takového úhlu, aby byl možný průjezd.
Průjezd tahače s listem větrné elektrárny uložené na hydraulickém zvedacím zařízení, které umožnilo vztyčením listu zatáčku ve skalnatém terénu zvládnout, a model zařízení v běžné transportní poloze.
Někoho možná napadne možnost transportu v závěsu pod vrtulníkem, jenže v případě tubusů neexistuje vrtulník, který by je zvedl. V případě listu větrné elektrárny je to nemožné především proto, že list sám o sobě je aerodynamicky zdůvodněným profilem a ve vzduchovém víru a v turbulencích pod rotorem vrtulníku by celou sestavu „poněkud“ destabilizoval s velkou pravděpodobností až jistotou havárie. Řešení tedy může nabídnout nižší hmotnost tubusů či jejich dílů, což však u běžného designu současných elektráren není při dodržení nezbytných konstrukčních limitů možné. Firma Vestas však pro takové extrémní podmínky přístupnosti na některé lokality ověřuje na testovacím polygonu u Osterildu v Dánsku „odlehčený“ tubus, kotvený ve třech směrech a ze tří výškových úrovní lany. Na tubusu jsou lana uchycena na speciálních obručích kolem tubusu a na zemi pak betonovými bloky, k nimž jsou lana kotvena pomocí systému pružin a tlumičů.
Větrná elektrárna Vestas na „odlehčeném“ tubusu, detail objímky uprostřed výšky stožáru a kotvení lana systémem pružin a tlumičů.
(Foto B. Koč, J. Zilvar)
Jak stavět na moři?
Doprava kompletní větrné elektrárny na mořské dno pomocí pásových podvozků – nákres společnosti Kema
Obor offshore větrrných elektráren přinesl několik variant jejich kotvení a způsobů stavby (blíže zde). Pro větší hloubky je ověřena varianta „plovoucích“ elektráren, testovaná poprvé roku 2010 ve fjordu u norského Stavangeru a v provozním měřítku použitá např. r. 2017 u větrné farmy 12 elektráren v Severním moři u Skotska.
Již před 15 roky však byl na veletrhu v Hannoveru představena idea transportu dílů a stavby kompletních větrných elektráren ve vztyčené poloze na příbřežních mělčinách pomocí čtyř mohutných dálkově řízených pásových podvozků, které by celou elektrárnu zavezly vodou přímo nad připravené základy. Na podvozcích by byly větrné elektrárny uloženy na hydraulice, která je pak na základy v moři uložila. Na veletrhu byl prezentován nákres a 3D model. Zdá se však, že šlo jen o studii, ale kdo ví?
Vzhůru do oblak?
Rychlost větru, a tím i jeho energetický potenciál, do jisté míry roste s výškou nad zemským povrchem. Stožáry větrných elektráren v současnosti dosahují konstrukčních limitů kolem výšky 150 metrů. Úvahy, jak jít výš za větrem, vedly k myšlenkám větrných elektráren, nesených vzducholoděmi. Jasné fyzikální bariéry tohoto řešení však, zdá se, že definitivně prokázaly nereálnost takových myšlenek. Hmotnost strojovny a rotoru větrné elektrárny s výkonem 1 MW se pohybuje nad 100 tun, jaký by měl být objem vzducholodě? Jak dopravit elektrickou energii na pevninu? Bezdrátově to neumíme, a jaká by byla hmotnost kabelu byť jen 300 m dlouhého, a také hmotnost lan, kterými by vzducholoď byla kotvena, a která by také musela unést? Odpovědi nechávám jako „domácí úkol“ na čtenářích…
Do kategorie „létajících“ větrných elektráren patří další řešení, možná kuriózní, možná v ojedinělých situacích i použitelná. Jejich principem je použití „větroňů“, draků, padáků nebo rogal, vypuštěných na laně do výšek 300–500 metrů, kde je i několikanásobně vyšší rychlost větru, než ve výšce kolem 100 metrů nad povrchem, kde operují rotory běžných větrných elektráren.
Vozík tažený po lineární (příp. kruhové) dráze padákem (drakem nebo rivalem). Navijáky na vozíku slouží jako generátory při aktivní fázi JO-JO cyklu.
Létající elementy by podle jednoho řešení (NTS X-Wind Airborne Wind Power plant, www.x-wind.de) tahaly po kolejovém okruhu vozíky, které by byly pohyblivou součástí lineárního generátoru, jehož statorem by byla vodicí kolejnice. Zařízení bylo zatím zkoušeno jen na 400 m dlouhé přímé linii kolejnice na severu Německa. Těžko překonatelnou bariérou by asi bylo řízení několika „draků“ nad kruhovým okruhem. Energeticky neúčinnou část okruhu by draky překonávaly pasivním tažením – a logicky by spotřebovaly část energie, vyprodukovanou draky v aktivní pozici. Další problém: jak by létající elementy startovaly poté, kdyby je rychlost větru neudržela ve vzduchu?
Další projekt používá místo vozíků na kolejové dráze speciálního na pevném základu otočně uloženého navijáku, jehož buben by byl rotorem generátoru a současně by tzv. JO-JO stylem létající element přitahoval a poté by v aktivní fázi jeho stoupání odvíjené lano pohánělo buben navijáku jako generátor.
V obou případech by o efektivitě rozhodoval mj. i poměr aktivní a pasivní fáze každého cyklu provozu. Jako přednost uvádějí autoři nižší investiční náklady, nižší hmotnost zařízení, žádné stožáry a komplikace s dopravou při stavbě klasické větrné elektrárny. Diskutabilní je uváděné (teoretické) vyšší využití instalované kapacity, velká plocha celé sestavy na zemi, bezpečnost při nečekaném „lopingu“ létajícího elementu nebo při přetržení lana nebo destrukci samotné létající částí celé sestavy.
Zpět na pevnou zem
Z mečů pluhy, ze stíhaček elektrárny?
Myšlenka využití „dýzového efektu“ není nová. Roku 1987 byla zkoušena v Rumunsku na horské lokalitě nad městem Sinaia. Reálného využití se však nedočkala.
(Foto B. Koč)
Jak jednoduché – klasické vrtulové stíhačce z konce II. světové války stačí odstranit křídla, dát jí trochu větší vrtuli, spalovací motor nahradit elektrickým generátorem, usadit ji na nějaký stožár a větrná elektrárna v duchu hesla překování mečů v pluhy byla na světě. Alespoň v představách ilustrátorů knihy sovětského autora Michaila Iljina „Přetvoření naší planety“, vydané v českém překladu roku 1953. A když těch stožárů bude víc, je tu hned celá „větrná farma“.
Ani v tomto případě se 65 let staré představy netrefily do dnešní podoby větrných elektráren. A co víc, úděs budí propojení jednotlivých stožárů vodorovným příhradovým nosníkem a zavěšené šikmé schody (!) vedoucí ze země ke gondolám. Propojení stožárů vodorovným nosníkem by celou vyobrazenou skupinu elektráren rozkývalo a destabilizovalo, a stoupat v této situaci ke gondolám po vyobrazených schodech?
Další netradiční a velmi diskutabilní projekt pochází z USA. Společnost SheerWind představila svůj patent INVELOX již před 5 roky. Myšlenka jejího řešení spočívá ve zvýšení rychlosti větru tzv. koncentrátorem (nálevkovitě se zužujícím profilem potrubí, do něhož vítr vstupuje). V centrální části, tzv. Venturiho trubici, která má 10–15krát menší plošný profil, než je plocha vstupního prvku celého zařízení, by mělo dojít k odpovídajícímu několikanásobnému zrychlení proudícího vzduchu, který by v tomto prostoru roztáčel až tři za sebou umístěné rotory s generátory vyrábějícími elektrickou energii. Předností je, že nasávací část zařízení je všesměrová, celou sestavu je možné postavit a provozovat na zemi, případně na plochých střechách obytných či průmyslových objektů. Až potud idea a teorie.
Projekt INVELOX – představa autorů projektu „jak to funguje“.
Instalace větrné elektrárny INVELOX na základně Národní gardy USA v Michiganu. Měla by dodávat 200 kW…
Rozměry zařízení INVELOX 200 kW
Otázkou zůstává, nakolik bere tato teorie v potaz samotnou formuli pro výpočet výkonu větrného rotoru, podle níž je výkon závislý na ploše, kterou rotor opisuje, na třetí mocnině rychlosti větru a na tzv. Betzově koeficientu pro konkrétní typ zařízení. U principu INVELOX je třeba za plochu, z níž je „sbírána“ energie větru, brát svislou plochu vstupního „sběrače větru“. Žádným dalším urychlením tohoto proudu vzduchu v celém zařízení není ani teoreticky možné zvýšit množství vstupující energie. Samotné zrychlení proudu vzduchu má svá aerodynamická omezení, znásobení těsně za sebou sestavených rotorů s generátory zdaleka nepřinese lineárně vyšší efekt zařízení, protože za prvním rotorem dochází k turbulencím, zvláště v omezeném prostoru uvnitř tzv. Venturiho trubice. Zrychlením proudu vzduchu na několikanásobek vstupní rychlosti větru s sebou jistě ponese i výrazný hluk v širokém frekvenčním spektru. První prototypy těchto elektráren byly instalovány na amerických vojenských základnách v Michiganu, snad i proto je jednou z uváděných předností systému to, že neovlivňuje radarové odrazy. Další zařízení instalované na atolu Palmyra asi 1000 km jižně od Havaje zatím prokázalo, že k likvidaci ptactva nedochází. Očekávaný energetický přínos pro ostrov byl však nahrazen fotovoltaikou.
Vítr by se paradoxně mohl stát fyzickým likvidátorem celého zařízení, zvláště v oblastech výskytu hurikánů, neboť konstrukci celého zařízení nelze proti působení silného větru nijak chránit. Podle informací ze stránek www.sheerwind.com bylo zatím reálně postaveno méně než 10 zařízení s inzerovaným výkonem 100–200 kW. V Evropě je zatím jediná instalace na předměstí Rotterdamu na ploché střeše obří haly, přesto SheerWind prezentuje virtuální „typové listy“ větrných elektráren Invelox ve výkonové řadě od 2 kW do 25 MW!!!
SheerWind ve svých materiálech uvádí graf podobný výkonové křivce klasických větrných elektráren, jenže místo výkonu ve wattech (kW, MW) uvádí pouze napětí ve voltech. Invelox porovnává „zábor plochy“ potřebný pro klasickou větrnou elektrárnu s výkonem 1,8 MW s plochou, kterou zabere (dosud neexistující) větrná elektrárna Invelox stejného výkonu. Invelox potřebuje méně než 4 ha, klasika (podle Inveloxu) 24–32 ha! Skutečnost (např. u 7 MW elektrárny Enercon v Rakousku) je 0,6 ha, což je možné si ověřit a poměřit na leteckém snímku tohoto objektu na pozici 48.0493564N, 16.9126931E.
Ani původní předpoklady časového harmonogramu „náběhu“ této technologie není zdaleka skutečností. Podle časové osy měl být projekt přiveden do komerční fáze roku 2015, rok 2016 měl být rokem globální expanze.
Zdrcující hodnocení projektu Invelox bylo publikováno 23. února 2017. Autor Paul Gipe v něm konfrontuje tvrzení tvůrců Inveloxu se zdůvodněnými fyzikálními i technologickými možnostmi této technologie.
Přesto se společnosti SheerWind podařilo nasmlouvat licenci na stavbu větrné elektrárny v dánském městě Slagelse v rámci jejího projektu výroby vodíku elektrolýzou pro provoz městských autobusů. Město teď řeší, kdo za 500 tisícovou dolarovou ránu v rozpočtu může. A to v zemi, která má v populaci bezesporu největší zastoupení odborníků na celou škálu problematiky větrných elektráren. Inu – zase se někomu podařilo prodat ledničku Eskymákovi…
V polovině ledna 2018 však stránky INVELOXU z internetu zmizely, což signalizuje odchod značky a jejích produktů ze světa reálných možností a fyzikálních zákonitostí.
Invence vynálezců je neomezená
Další nová, oprašovaná i provokativně „revoluční“ řešení větrných elektráren, jimž se občas dostává publicity, by snad byla už hodná českého všeuměla a génia Járy Cimrmana. Je zajímavé, že si i tyto studie opětovně nacházejí – snad pro zpestření? – prostor i v posterových sekcích odborných kongresů. Některá z nich při tom až tak jednoznačně hranice nerealizovatelnosti neatakují.
Vize z 50. let ze SSSR: vláček „plachetnic“ na okruhu s lineárním generátorem, „kýl“ plachetnic je pravděpodobně sestaven z permanentních magnetů…
Roku 1986 byla v časopisu ABC mladých techniků a přírodovědců otištěna sci-fi kresba větrné elektrárny v podobě vlaku plachetnic, hnaných větrem po okružní dráze, jejíž povrch tvořil „lineární generátor“. Plachetnice – v tomto případě třítrupé „trimarany“ by v něm svými permanentními magnety indukovaly elektrický proud. V principu a elektroinstalaci by v tomto případě problém nebyl, jenže: polovinu okruhu by plachetnice absolvovaly proti větru, k čemuž by samy potřebovaly energii, nebo by jejich oplachtění muselo být nějak natáčeno a omezováno, pak by se efektivní část okruhu mohla prodloužit snad na 60–70 %? Z ilustrace to však patrné není.
Některými ekology, vyznávajícími mantru tzv. krajinného rázu, byl před časem nadšeně přijat i nápad využít při získávání elektrické energie tzv. piezoelektrického jevu. Spočívá v tom, že některé krystaly mohou působením tlaku produkovat elektrickou energii. Líbila se především myšlenka uspořádání základních článků tohoto systému do podoby stébel trav, která by se ve větru ohýbala a aktivovala by tak piezoelektrické krystaly. I kdyby se z jednoho stébla dal získat jediný watt výkonu, jak by byla elektrická energie z celého systému vyváděna? Určitě nějakými podzemními kabely – od tenkých drátků, postupně sváděných sériovými a paralelními zapojeními do silnějších vodičů… Opěvován byl krajinu nenarušující porost byť umělé „trávy“. Energetická bilance by však byla pochybná, pokud by se taková piezostébla podařilo vytvořit.
Přesto by však idea využití energie větru prostřednictvím piezoelektrického jevu nemusela být slepou uličkou. Svědčí o tom americký patent US 9024510, popisující elektrody složené z kompozitního a piezoelektrického materiálu uspořádané do ohebného „praporku“, vlajícího ve větru. Experimentální provedení s rozměry praporku 10×30 cm, sestaveného z jedné nebo více vrstev po obou stranách folie z piezoelektrického materiálu a síle folií, z nichž byl slepen 50 mikrometrů, dosáhlo při rychlosti větru 15 m/sec výkonu kolem 1 W. Je zřejmé, že převést toto zařízení do podoby zdroje elektrické energie pro reálné využití, ať už násobením plochy nebo počtu jednotlivých elementů, by bylo technicky i finančně mnohem náročnější, než instalovat malou nebo středně velkou větrnou elektrárnu. Uplatnění by uvedený piezoelektrický zdroj mohl mít v ojedinělých případech, např. pro napájení nenáročných spotřebičů a akumulátorů v odlehlých oblastech s velmi silnými nárazy větru, které by mohly způsobit destrukci klasických rotorů i v zabrzděném stavu rotoru.
Piezoelektrického jevu nebo mechanického lineárního generátoru by měl využívat i španělský projekt větrných elektráren Vortex z let 2013–2015 v podobě ve větru se kymácejících stožárů. Autoři argumentují nižšími náklady a omezením pohyblivých částí v porovnáním s klasickou koncepcí větrných elektráren, připouštějí ale nižší využití větrného potenciálu. Opět tu platí: jakýmkoliv zařízením není možné získat více energie, než je potenciál daný plochou, z níž energii větru sbírá. Testovací instalace nepřekročily výkon 10 kW. Předpoklad Vortexu o stavbě zařízení s výkonem 1 MW během roku 2018 je nereálný a pravděpodobně zcela nerealizovatelný.
Je osudem technologického pokroku v každém oboru lidské činnosti, že je provázen slepými uličkami (které svým způsobem vývoj ovlivní, když signalizují, že tudy cesta nevede) ale také produkty zatvrzených vynálezců perpetua mobile nebo z dílny Járy Cimrmana…
Attempts to using wind power lead in the past to many technical discoveries and solutions. In this article we are going to look at the less common, functional and unfunctional ways and at the funny ones as well.
